Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng

Hệ số ứng xử của kết cấu bê tông cốt thép dùng trong tính toán tác động động đất lên công trình xây dựng

VIÖN KHOA HOC C¤NG NGHÖ X¢Y DùNG VIÖT NAM

Lª trung phong

HÖ Sè øNG Xö CñA KÕT CÊU Bª T«ng Cèt ThÐp DïNG TRONG TÝNH TO¸N T¸C §éNG

§éNG §ÊT L£N C¤NG TR×NH X¢Y DùNG

LUËN ¸N TIÕN Sü Kü THUËT

Hµ néi - 2011

Bé GI¸O DôC Vµ §µO T¹O Bé X¢Y DùNG

VIÖN KHOA HOC C¤NG NGHÖ X¢Y DùNG VIÖT NAM

-*** -

Lª trung phong

HÖ Sè øNG Xö CñA KÕT CÊU Bª T«ng Cèt ThÐp DïNG TRONG TÝNH TO¸N T¸C §éNG §éNG §ÊT

1 PGS TS NguyÔn Lª Ninh - Tr−êng §¹i häc x©y dùng Hµ néi

2 PGS TS NguyÔn Xu©n ChÝnh - ViÖn khoa häc c«ng nghÖ x©y dùng

Hµ néi - 2011

LêI CAM §OAN Tªn t«i lµ: Lª Trung Phong

T«i xin cam ®oan luËn ¸n nµy lµ c«ng tr×nh nghiªn cøu cña riªng t«i C¸c kÕt qu¶ nghiªn cøu trong luËn ¸n lµ trung thùc vµ ch−a ®−îc c«ng bè trong bÊt kú c«ng tr×nh nµo kh¸c

Hµ néi, ngµy 12 th¸ng 3 n¨m 2011

LờI CảM ƠN

Luận án này được thực hiện tại Viện khoa học công nghệ xây dựng - Bộ xây dựng với sự hướng dẫn của PSG TS Nguyễn Lê Ninh và PSG TS Nguyễn Xuân Chính

Trong quá trình thực hiện luận án, tôi đã được giúp đỡ tận tình của các giáo viên hướng dẫn, sự động viên, tạo điều kiện giúp đỡ của Phòng thí nghiệm công trình, Phòng động đất - Viện chuyên ngành kết cấu xây dựng, Phòng đào tạo và thông tin, Phòng tổ chức cán bộ - Viện KHCN Xây dựng, Trường ĐHXD và nhiều tập thể, cá nhân khác nữa Nhân dịp này tôi muốn bày tỏ lòng biết ơn chân thành và sâu sắc tới các thầy, các cô, lãnh đạo viện KHCN xây dựng và phòng thí nghiệm công trình, phòng động đất, các bạn đồng nghiệp và đặc biệt là gia

đình tôi đã đóng góp cho sự thành công của luận án

NCS Lê Trung Phong

Trang Trang phụ bìa

Mở đầu

6 Những đóng góp khoa học chính của luận án

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

1.1.4 Quan niệm thiết kế mới và các nguyên tắc cơ bản của việc

thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN

375:2006 [16]

19

1.2 Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình

chịu động đất

22

1.2.2 Hệ số ứng xử của các kết cấu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết

kế các công trình chịu động đất trên thế giới

23

1.2.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt nam

(TCXDVN 375: 2006) [16] và của Châu Âu (EN

1998-1-1:2004)[34]

24

1.2.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất (PS-92) và Kiến

nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS

Mục lục

1.2.2.5 Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada (Code

national du bâtiment du Canada - CNBC – 1995) [38]

28 1.2.2.6 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276)

(Seismic Resistant Design Standard for Building

1.2.2.9 Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico

(Reglamento de construcciones para el Distrito Federal – 1993

và Norma Técnicas Complementarias para Diseno por Sismo

– 1989) [38]

31

Chương II

Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép

và các yếu tố ảnh hưởng tới độ dẻo

2.2.1.2 Xác định độ cong φu theo tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 [33] 44 2.2.1.3 Xác định độ cong φu theo các tiêu chuẩn thiết kế “Kết cấu bê

tông và bê tông cốt thép” của Việt nam TCXDVN 356:2005

[17] và “Kết cấu bê tông và bê tông cốt thép không ứng lực

trước” của Nga СП 52 -101 - 2003

46

2.2.3 Mối quan hệ giữa việc hạn chế biến dạng ngang của bê

tông và tính dẻo của các cấu kiện bê tông cốt thép

53

2.2.3.4 Tính toán hiệu quả của việc bó bê tông theo các quy định của

tiêu chuẩn thiết kế

60

3.3.2.1 Độ dẻo chuyển vị của tường chịu lực bê tông cốt thép 86 3.3.2.2 Hệ số ứng xử q của các tường chịu lực bằng bê tông cốt thép 92

Chương IV Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh hưởng tới độ dẻo của dầm BêTông Cốt Thép

4.3 Các đặc trưng cơ lý của vật liệu mô hình thí nghiệm 99

4.4.2 Sơ đồ bố trí các thiết bị đo trên mô hình thí nghiệm 101 4.5 Dựng lắp các mô hình thí nghiệm và dụng cụ đo 103 4.6 trình tác dụng tải trọng trên các mô hình thí

Danh mục các ký hiệu và các chữ viết tắt

∆e Chuyển vị của hệ làm việc đàn hồi

Fy Lực làm xuất hiện biến dạng chảy của hệ kết cấu

Fe Lực tác quán tính lớn nhất tác động lên hệ đàn hồi

TCXDVN Tiêu chuẩn xây dựng Việt nam

PNCR Xác suất vượt quá quy ước ứng với yêu cầu không sụp đổ

TNCR Chu kỳ lặp quy ước trung bình ứng với yêu cầu không sụp đổ

PDLR Xác suất vượt quá ứng với yêu cầu hạn chế hư hỏng

TDLR Chu kỳ lặp trung bình ứng với yêu cầu hạn chế hư hỏng

R Hệ số giảm tải hoặc điều chỉnh phản ứng

∆u Chuyển vị lớn nhất ngay trước khi phá hoại

∆y Chuyển vị chảy đầu tiên trong hệ kết cấu làm việc đàn hồi - dẻo

Danh mục các chữ viết tắt

Fbmax Lực cắt đáy lớn nhất

Asc Diện tích tiết diện cốt thép đặt ở vùng chịu nén

As Diện tích cốt thép đặt ở vùng chịu kéo

I Mômen quan tính của tiết diện

r Bán kính cong của trục dầm

c

ε Biến dạng (nén) của bê tông tại thớ bị nén

xy Chiều cao của của miền bê tông bị nén lúc bắt đầu chảy dẻo

εsy Biến dạng của cốt thép chịu kéo lúc bắt đầu chảy dẻo

h0 Chiều cao làm việc của tiết diện

h Chiều cao của tiết diện

c

s

E

E

n = Tỷ số giữa các môđun đàn hồi của cốt thép và bê tông

ξ Chiều cao tương đối của miền bê tông bị nén

f Giới hạn chảy của cốt thép

F1u Khả năng chịu lực của hệ làm việc đàn hồi

F2u Khả năng chịu lực của hệ làm việc đàn hồi - dẻo

εcu Biến dạng nén cực hạn của bê tông

εsu Biến dạng kéo cực hạn của cốt thép

xu Chiều cao miền bê tông bị nén ngay trước khi phá hoại

εc2 Biến dạng của bê tông khi ứng suất nén đạt tới giá trị lớn nhất

fck Cường độ chịu nén đặc trưng của bêtông (MPa)

fcd Cường độ chịu nén tính toán của bê tông (MPa)

γc hệ số độ tin cậy của bê tông

αcc Hệ số xét tới các hệ quả tác động dài hạn lên cường độ chịu nén

và các hệ quả bất lợi do cách thức tác động tải trọng gây ra

λ Hệ số xác định chiều cao hiệu dụng của miền bêtông bị nén

η Hệ số xác định giá trị cường độ chịu nén hiệu dụng của bê tông

σb ứng suất nén trong bê tông

Eb Môdun đàn hồi của bê tông

εb Biến dạng nén tương đối của bê tông

Rb Cường chịu nén tính toán của bê tông

fc Cường độ chịu nén tính toán của bêtông

ρw Hàm lượng cốt thép đai

fyw Cường độ chảy của cốt thép đai

s Khoảng cách giữa các lớp cốt thép đai (bước cốt đai)

fcc ứng suất nén lớn nhất của bê tông bị bó

εcc1 Biến dạng nén lớn nhất của bê tông bị bó

b0 Cạnh của lõi bê tông bị bó

D0 Đường kính của lõi bê tông bị bó

Asw Diện tích tiết diện của cốt đai

Danh mục các chữ viết tắt

lp Chiều dài khớp dẻo tương đương

lw Chiều dài tiết diện ngang của tường

Hc Tổng chiều cao các tầng trong cơ cấu phá hoại

q Hệ số làm việc hoặc ứng xử

R Hệ số giảm lực tác động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng

McAi Mômen uốn tại tiết diện ở chân cột A tầng i

M’cAi Mômen uốn tại tiết diện ở đỉnh cột A tầng i

EIcAi Độ cứng chống uốn của cột trục A ở tầng i

θpc Góc xoay của khớp dẻo ở chân cột

θpd Góc xoay của khớp dẻo ở dầm

lpc Chiều dài vùng khớp dẻo tương đương tại chân cột

Es Môđun đàn hồi của cốt thép

h0 Chiều cao làm việc của tiết diện

εcu Biến dạng cực hạn của bê tông

εsu Biến dạng cực hạn của cốt thép

Lw Chiều dài tiết diện ngang của tường

p Cường độ tải trọng ngang phân bố đều trên tường

hwi chiều cao tường thứ i

lwi chiều dài tiết diện tường thứ i

α1/αu Hệ số thể hiện sự vượt độ bền của hệ kết cấu do dư thừa liên kết

Sik Lực động đất tính toán ngang theo tiêu chuẩn Nga

K1 hệ số xét tới mức độ hư hỏng cho phép của nhà và công trình

K2 hệ số xét tới giải pháp kết cấu của nhà và công trình

S0ik trị số lực động đất ngang ở dạng dao động thứ i

n

V Tải trọng động đất tác động lên kệ kết cấu làm việc đàn hồi dẻo

Ve Lực động đất thiết kế tác động lên hệ kết cấu làm việc hoàn toàn

Hình 2.1 Quan hệ lực - chuyển vị ở các cấu kiện

Hình 2.2 Định nghĩa độ dẻo uốn

Hình 2.3 Định nghĩa chuyển vị chảy

Hình 2.4 Định nghĩa chuyển vị cực hạn

Hình 2.5 Đồ thị M – Φ tam tuyến tính của dầm BTCT

Hình 2.6 Sơ đồ xác định độ dẻo độ cong của dầm

Hình 2.7 Đồ thị ứng suất – biến dạng parabol – chữ nhật của bê tông bị nén Hình 2.8 Sơ đồ phân bố ứng suất trên tiết diện thẳng góc

Hình 2.9 Đồ thị ứng suất biến dạng của bêtông bị nén theo СП 52 -101 - 2003 Hình 2.10 Sơ đồ phân bố ứng suất trong miền bê tông bị nén

Hình 2.11 Sơ đồ ứng suất trong cột chịu nén

Hình 2.12 Các đồ thị ứng suất – biến dạng của bê tông với các kiểu bị bó khác

Hình 2.17 Mô hình tính toán bê tông bị bó của Kappos (1991)

Hình 2.18 ứ ng suất bó trong cốt đai lò xo

Hình 2.19 Đồ thị ứng suất, biến dạng của bê tông bị bó bằng cốt đai lò xo

(Shah, Fatifis và Arnold)

Hình 2.20 Quan hệ ứng suất – biến dạng của bê tông bị bó

Hình 2.21 Bó lõi bê tông

Hình 2.22 Mối quan hệ giữa độ dẻo uốn, lực dọc và cốt thép đai ở cột (theo thí

nghiệm của Blume)

Hình 2.23 Biến dạng đàn hồi và dẻo của công xôn bê tông cốt thép

Hình 2.24 Các cơ cấu phá hoại dẻo điển hình ở hệ khung

Chương III

Hình 3.1 Quan hệ giữa phản ứng đàn hồi và đàn hồi – dẻo của kết cấu có 1 bậc

tự do

Hình 3.2 Khung BTCT chịu tải trọng đứng và ngang

Hình 3.3 Các biểu đồ mômen uốn và độ cong của cột trục A

Hình 3.4 Sơ đồ độ cong của cột trục A tại tầng thứ i

Hình 3.5 Vị trí các khớp dẻo ở dầm khung

Hình 3.6 Sơ đồ phá hoại dẻo của khung BTCT

Hình 3.7 Sơ đồ biến dạng của tiết diện cấu kiện khi cốt thép bắt đầu chảy dẻo

Hình 3.8 Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và biến dạng nén cực hạn của bê tông

Hình 3.12 Biểu đồ bao mômen uốn của tường

Hình 3.13 Sơ đồ độ cong của tường tại tiết diện có khớp dẻo

Hình 3.14 Biến dạng tại tiết diện có khớp dẻo ngay trước khi phá hoại

Hình 3.15 Quan hệ giữa hệ số ứng xử q và biến dạng nén cực hạn của bê tông

Hình 4.5 Sơ đồ bố trí các thiết bị đo và gia tải trên mô hình thí nghiệm

Hình 4.6 Vị trí gắn các phiến đo biến dạng trên mô hình thí nghiệm

Hình 4.7 Sơ đồ dựng lắp các mô hình thí nghiệm và thiết bị đo

Hình 4.8 Qui trình tác dụng tải trọng lên mô hình thí nghiệm

Hình 4.9 Trong phòng thí nghiệm

Hình 4.10 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm MH1

Danh mục các hình vẽ và đồ thị

8

Hình 4.11 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm hai MH2

Hình 4.12 Quan hệ lực - chuyển vị ngang của các mô hình nhóm ba MH3

Hình 4.13 Quan hệ độ dẻo chuyển vị - chu kỳ chất tải của các mô hình thí

nghiệm khi lực tác động theo chiều dương (trái sang)

Hình 4.14 Quan hệ độ dẻo chuyển vị - chu kỳ chất tải của mô hình thí nghiệm khi

lực tác động theo chiều âm (phải sang)

Hình 4.15 Biến thiên độ dẻo chuyển vị theo chu kỳ của các mô hình thí nghiệm Hình 4.16 Quan hệ giữa năng lượng được phân tán và số chu kỳ chất tải của các

mô hình thí nghiệm

Hình 4.17 Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến và độ dẻo chuyển vị của các nhóm

mô hình thí nghiệm theo chiều dương của tác động

Hình 4.18 Quan hệ giữa độ cứng cát tuyến và độ dẻo chuyển vị của các nhóm

mô hình thí nghiệm theo chiều âm của tác động

Hình 4.19 Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH1

Hình 4.20 Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH2

Hình 4.21 Hình dạng và vị trí các khe nứt xuất hiện trên các mô hình MH3

Hình 4.22 Sơ đồ lực trong cốt thép xiên ở vùng tới hạn

Danh mục bảng

Chương I

Bảng 1.1 Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất

Bảng 1.2 Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q

0 đối với các hệ kết cấu BTCT

đều đặn trên chiều cao Bảng 1.3 Hệ số ứng xử q theo tiêu chuẩn PS-92 và kiến nghị của AFPS 90 Bảng 1.4 Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997) Bảng 1.5 Hệ số điều chỉnh phản ứng R của các hệ kết cấu BTCT theo ASCE7

– 2002, IBC-2003 và NFPA 5000 Bảng 1.6 Hệ số giảm tải R của các kết cấu BTCT theo tiêu chẩn CNBC 1995

của Canada Bảng 1.7 Các giá trị của à, R và K

Bảng 1.8 Giá trị độ dẻo àm của các bộ phận kết cấu chịu lực thường gặp

Bảng 1.9 Hệ số giảm tải K đối với các hệ kết cấu BTCT (IC 413 – 1994)

Bảng 1.10 Các giá trị của độ dẻo tổng thể (à) của các hệ kết cấu BTCT đều

đặn trên chiều cao (theo INPRES - CRSOC 103 1991)

Bảng 4.1 Tổng hợp cấu tạo các mô hình thí nghiệm

Bảng 4.2 Cường độ nén giới hạn của các mẫu thử bê tông

Bảng 4.3 Giá trị môđun đàn hồi Eb của các mẫu thử bê tông

Bảng 4.4 Các đặc trưng cơ lý của cốt thép dọc

Bảng 4.5 Cách thức tác dụng tải trọng lên mô hình thí nghiệm

Bảng 4.6 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm theo chiều dương (tải

trọng tác động từ trái sang phải) Bảng 4.7 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình thí nghiệm theo chiều âm (tải

trọng tác động từ phải sang trái) Bảng 4.8 Độ dẻo chuyển vị theo chu kỳ của các mô hình thí nghiệm

Bảng 4.9 Độ cứng cát tuyến của các mô hình thí nghiệm theo chiều dương

Danh mục các bảng

10

của tác động Bảng 4.10 Độ cứng cát tuyến của các mô hình thí nghiệm theo chiều âm của

tác động Bảng 4.11 Độ dẻo chuyển vị của các mô hình MH1 và MH2

Bảng 4.12 Hệ số ứng xử q kiến nghị dùng trong thiết kế khung BTCT có cấp

dẻo trung bình (DCM) Bảng 4.13 Chiều dài khớp dẻo lp của các mô hình thí nghiệm

Mở đầu

1 Tính cần thiết của đề tài nghiên cứu

Trên lãnh thổ Việt nam, nhiều vùng được xác định là có hoạt động động

đất, trong đó có các khu đô thị lớn như Hà Nội, Hải Phòng, Vinh, Đà Nẵng, Hồ Chí Minh Theo thống kê, từ trước đến nay đã xẩy ra trên 1000 trận động đất

có cường độ khác nhau ở Việt Nam, trong đó có hai trận động đất cấp VIII, 11 trận động đất cấp VII và 60 trận động đất cấp VI (theo thang MSK-64) Để hoàn thiện hệ thống tiêu chuẩn thiết kế kỹ thuật trong lĩnh vực xây dựng công trình, cuối tháng 9 năm 2006 Bộ Xây dựng đã có quyết định số 28/2006/QĐ-BXD ban hành Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 “Thiết kế công trình chịu động

đất” Như vậy sau nhiều năm sử dụng các tiêu chuẩn thiết kế nước ngoài, lần

đầu tiên ở nước ta đã có một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn riêng, đáp ứng các yêu cầu cấp thiết của việc thiết kế và thi công các công trình xây dựng

đang ngày càng phát triển Tiêu chuẩn thiết kế mới này được biên soạn trên cơ sở tiêu chuẩn thiết kế của châu Âu EN 1998-1-1:2004 Nó được đánh giá

là một tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn tiên tiến nhất hiện nay, phản ánh các kết quả thu được từ nhiều chương trình nghiên cứu rộng lớn được thực hiện trong những thập niên gần đây ở châu Âu và trên thế giới trong lĩnh vực kháng chấn công trình

Theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, mục đích của việc thiết kế các công trình chịu động đất đã có một sự thay đổi quan trọng, chuyển từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội Với mục đích này, khác với quan niệm thiết kế “truyền thống” quen thuộc lâu nay, các công trình được thiết kế theo TCXDVN 375:2006 được phép làm việc sau giai đoạn đàn hồi Quan niệm thiết kế mới này, vừa đảm bảo cho công trình được an toàn trong bối cảnh không dự báo được chính xác các trận

động đất sẽ xẩy ra, vừa bảo đảm được các yêu cầu kinh tế Khi thiết kế theo tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006, tác động động đất lên công trình được giảm xuống q lần (q > 1,0) so với tác động động đất lên chính công trình đó nhưng giả thiết làm việc hoàn toàn đàn hồi (cách thức thiết kế “truyền thống” trước

đây) Điều kiện kèm theo để thực hiện được điều này, có nghĩa là giảm lực tác

Như vậy vấn đề quan trọng nhất khi soạn thảo TCXDVN 375:2006, ngoài việc các dữ liệu về thông số hoạt động động đất trên lãnh thổ Việt Nam (gia tốc nền, điều kiện địa chất - địa hình ), là các giá trị hệ số ứng xử q dùng để xác định tác động động đất thiết kế lên công trình xây dựng và các điều kiện kèm theo để có được hệ số ứng xử đó Việc quy định giá trị hệ số ứng xử q không phù hợp với các yếu tố về vật liệu, hệ kết cấu, khả năng biến dạng dẻo sẽ dẫn tới hai thái cực không mong muốn đó là tính không kinh tế và không

an toàn của công trình được thiết kế

Đây là một vấn đề rất quan trọng và có ý nghĩa sống còn trong thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng hiện nay Đề tài nghiên cứu này sẽ góp phần làm rõ cơ sở quyết định các giá trị hệ số ứng xử q dùng trong TCXDVN 375:2006, đồng thời qua đó cũng làm rõ ý nghĩa và vai trò của hệ số này trong thiết kế công trình chịu động đất theo quan niệm mới

Đề tài nghiên cứu này cũng sẽ làm rõ mối quan hệ giữa TCXDVN 375:2006 với Tiêu chuẩn “Thiết kế kết cấu bê tông và bê tông cốt thép” - TCXDVN 356:2005, góp phần vào việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết kế, thúc đẩy việc áp dụng tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 vào thực tế sản xuất, cũng như làm gia tăng tính hiệu quả kinh tế và an toàn khi thiết kế các công trình chịu động đất ở nước ta

2 Mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài

Đề tài có các mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

a) Làm rõ ý nghĩa, vai trò và các yếu tố ảnh hưởng quyết định tới hệ số ứng xử q sử dụng trong thiết kế kháng chấn;

b) Góp phần làm rõ cơ sở khoa học của quyết định đưa các giá trị hệ số ứng xử q trong tiêu chuẩn “Thiết kế các công trình chịu động đất” EN 1998-1-1:2004 của châu Âu vào sử dụng trong tiêu chuẩn “Thiết kế công trình chịu động đất” TCXDVN 375:2006 của Việt Nam;

c) Làm rõ mối quan hệ giữa các tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006

và TCXDVN 356:2005, cho phép dùng TCXDVN 356:2005 thay cho tiêu chuẩn ‘Thiết kế kết cấu bê tông’ EN 1992-1-1:2004 của châu Âu trong một số nội dung của tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 liên quan tới

tiêu chuẩn này, góp phần vào việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết

kế xây dựng ở nước ta, làm cho việc sử dụng TCXDVN 375:2006 được

dễ dàng và thuận lợi

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu là các cấu kiện và kết cấu bêtông cốt thép được thiết kế để chịu động đất ở Việt Nam

Về các các giá trị của hệ số ứng xử q sử dụng trong thiết kế, ngoài các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm được thực hiện, nhiều tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của nhiều nước trong các khu vực khác nhau trên thế giới đã được trích dẫn cụ thể

5 Nội dung và cấu trúc của luận án

Bản luận án ngoài phần Mở đầu, Kết luận và Kiến nghị, có 4 chương và phần phụ lục Nội dung chủ yếu của các chương như sau:

- Chương I: Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết

kế các công trình chịu động đất Chương này đề cập tới các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng theo quan niệm mới, ý nghĩa và vai trò của hệ số ứng xử q trong thiết kế kháng chấn Tính phức tạp và đa dạng của hệ số ứng xử q cũng được thể hiện thông qua việc giới thiệu các hệ số ứng xử trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn theo quan niệm mới của nhiều nước trên thế giới

- Chương II: Độ dẻo của các kết cấu bê tông cốt thép và các yếu tố ảnh hưởng tới độ dẻo Nội dung chương này trình bày định nghĩa và phân loại độ dẻo; cách thức xác định độ dẻo ở các cấu kiện BTCT theo các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau và các yếu tố ảnh hưởng tới độ dẻo Các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm cho thấy vai trò quan trọng của cốt đai trong việc tạo

ra khả năng biến dạng dẻo cao ở kết cấu BTCT

- Chương IV: Thí nghiệm xác định độ dẻo và các yếu tố ảnh hưởng tới độ dẻo của dầm bêtông cốt thép Chương này trình bày các thí nghiệm trên một loạt các mô hình dầm BTCT được thực hiện tại Viện khoa học công nghệ Xây dựng (IBST) - Bộ Xây dựng Các kết quả thí nghiệm cho thấy ảnh hưởng của cốt thép đai, hàm lượng cốt thép dọc, lực cắt, cách thức cấu tạo cốt thép tới

độ dẻo, độ cứng, khả năng phân tán năng lượng của các cấu kiện BTCT Phần Kết luận và Kiến nghị Nội dung phần này trình bày tóm tắt các kết quả thu được từ các nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm mà tác giả đã thực hiện Trên cơ sở này một số các kiến nghị đã được đề xuất để áp dụng vào thực tế hoặc để tiếp tục nghiên cứu thêm trong thời gian tới

6 Những đóng góp khoa học chính của luận án

a) Làm rõ ý nghĩa, vai trò của hệ số ứng xử q trong thiết kế kháng chấn theo quan niệm mới, các yếu tố ảnh hưởng quyết định tới hệ số ứng xử q đặc biệt là về các vấn đề liên quan đến hàm lượng cốt thép đai, hàm lượng cốt thép dọc và lực cắt trong vùng tới hạn

b) Góp phần vào việc làm rõ cơ sở khoa học của quyết định đưa các giá trị hệ số ứng xử q trong tiêu chuẩn EN 1998-1-1:2004 của châu Âu vào TCXDVN 375:2006 của Việt Nam trên cơ sở nghiên cứu tính toán độ dẻo và

hệ số ứng xử q của các kết cấu BTCT sử dụng các giả thiết cơ bản và các

đặc tính của vật liệu (bê tông và cốt thép) quy định trong các tiêu chuẩn thiết

kế EN 1992-1-1:2004 và TCXDVN 356:2006

c) Làm rõ tính tương đồng giữa các tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 356:2005

và EN 1992-1-1:2004 Trên cơ sở này cho phép đề xuất kiến nghị sử dụng TCXDVN 356:2005 thay cho tiêu chuẩn EN 1992-1-1:2004 quy định ở một số nội dung liên quan tới tiêu chuẩn này trong TCXDVN 375:2006, góp phần vào việc đồng bộ hoá các tiêu chuẩn thiết kế xây dựng ở nước ta, làm cho việc sử dụng TCXDVN 375:2006 được dễ dàng và thuận lợi vào thực tiễn sản xuất

Do vậy theo quan niệm trước đây, để thực hiện được mục tiêu trên các công trình xây dựng không được phép bị phá hoại khi động đất xẩy ra Như vậy theo cách thiết kế này, sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội được bảo vệ gián tiếp thông qua việc bảo vệ công trình xây dựng Các công trình xây dựng được thiết kế với tác động đất lớn nhất dự kiến sẽ xẩy ra tại địa điểm xây dựng và làm việc hoàn toàn trong miền đàn hồi

Khi thiết kế các công trình chịu động đất, độ lớn tác động động đất là một yếu tố có độ tin cậy rất thấp Giá trị lớn nhất của tác động động đất dự kiến sẽ xẩy ra trong thời gian sử dụng công trình chủ yếu được xác định trên cơ sở các số liệu rất hạn chế và những thông tin rất đáng ngờ thu thập được từ lịch

sử địa chấn trong vùng đang xét Như vậy tính xác thực của nó phụ thuộc độ tin cậy của các kết quả nghiên cứu dự báo động đất sẽ xẩy ra tại địa điểm xây dựng Sau nhiều trăm năm nỗ lực nghiên cứu, con người đã phải tạm thời chấp nhận thất bại trong việc dự báo động đất, đặc biệt trong các vấn đề về

dự báo thời gian, địa điểm và độ lớn các trận động đất sẽ xẩy ra Các kết quả thống kê cho thấy, các thiệt hại về sinh mạng con người và kinh tế do động

đất gây ra trên thế giới trong các năm nửa cuối thế kỷ XX vô cùng lớn và tăng lên một cách nhanh chóng [22][55] Mặt khác, qua quan sát và nghiên cứu hệ quả của tác động động đất lên các công trình xây dựng các nhà khoa học

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

16

nhận thấy rằng có rất nhiều công trình được thiết kế theo các tiêu chuẩn thiết

kế hiện hành không bị sụp đổ, thậm chí không bị các hư hại nghiêm trọng khi chịu các tác động động đất lớn hơn rất nhiều so với dự kiến [30][13][2] Các nhà khoa học đã tìm ra lời giải thích từ các yếu tố chưa được xét tới trong các phương pháp xác định tác động động đất cũng như tính toán kháng chấn công trình, đó là khả năng xuất hiện biến dạng dẻo và phân tán năng lượng trong hệ kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực của công trình Như vậy, việc thiết

kế các công trình chịu động đất chỉ làm việc trong giai đoạn đàn hồi theo quan niệm trên cho thấy hoàn toàn không hợp l ý và không kinh tế

Để ngăn ngừa và giảm thiểu đến mức tối đa các tác hại do động đất gây

ra, trong những thập niên cuối cùng của thế kỷ XX và đầu thế kỷ XXI cách thức thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng đã có một sự thay đổi cơ bản Theo đó, mục tiêu của việc thiết kế kháng chấn công trình được chuyển

từ việc bảo vệ công trình sang bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội Với mục tiêu này, khi động đất xẩy ra các công trình xây dựng không nhất thiết chỉ làm việc đàn hồi mà có thể làm việc sau giới hạn

đàn hồi miễn là không bị sụp đổ Sụp đổ ở đây được hiểu theo nghĩa là trạng thái khi những người sống trong nhà không thể chạy thoát ra ngoài do một sự

cố nghiêm trọng ở hệ kết cấu chịu lực chính

Cùng với sự phát triển nhanh chóng của của khoa học kỹ thuật, các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm trong lĩnh vực xây dựng công trình ngày càng cho thấy một cách rõ ràng rằng vấn đề mấu chốt trong việc thiết

kế các công trình chịu động đất là giải quyết bài toán năng lượng Để cho công trình có thể làm việc tốt dưới tác động động đất, nó phải có khả năng hấp thụ và phân tán lượng năng lượng động đất được chuyển đến cho nó Sự hiểu biết một cách đầy đủ nguyên lý cân bằng năng lượng đơn giản này chính

là chìa khoá để giải quyết vấn đề thiết kế có hiệu quả các công trình xây dựng chịu động đất

1.1.2 Các mục tiêu thiết kế và cách thức đạt được mục tiêu thiết kế

Để làm rõ cách thức thiết kế theo quan niệm mới, ta xét ví dụ đơn giản sau [36][2]

Một hệ kết cấu có một bậc tự do động (BTDĐ) với khối lượng m và độ cứng k, dao động tự do không lực cản dưới tác động động đất biểu thị qua gia tốc nền x&0(t) (hình 1.1) Giả thiết rằng hệ kết cấu được thiết kế để có khả năng chịu lực F1u và phản ứng một cách hoàn toàn đàn hồi dưới tác động

động đất với đồ thị lực - chuyển vị như trong hình 1.1a Lúc động đất xẩy ra,

lực quán tính lớn nhất tác động lên khối lượng m của hệ kết cấu có giá trị Fe <

F1u Khi khối lượng của hệ kết cấu đạt chuyển vị ∆e, thế năng tích luỹ trong hệ kết cấu dưới dạng năng lượng biến dạng được biểu thị qua diện tích tam giác OBF đúng bằng động năng của nó Lúc này, do tốc độ chuyển động bằng không nên lực phục hồi này sẽ làm cho hệ kết cấu chuyển động về phía hướng ngược lại, gây ra dao động với biên độ không đổi

B

t

F

F 0

động của lực Fy theo đường AD và đạt tới giá trị lớn nhất ∆u tại điểm D (∆u

được giả thiết nhỏ thua khả năng biến dạng của khớp dẻo) Trong trường hợp này, thế năng lớn nhất tích luỹ trong hệ kết cấu khi đạt tới chuyển vị ngang ∆u

được biểu thị qua diện tích hình thang OADE Khi trở lại vị trí cân bằng ban

đầu, phần năng lượng chuyển thành động năng được biểu thị qua diện tích hình tam giác DEG, trong khi phần năng lượng biểu diễn qua diện tích hình bình hành OADG được phân tán qua khớp dẻo dưới dạng nhiệt, ma sát và các dạng năng lượng khác không thu hồi được

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

18

Như vậy, từ chu kỳ này sang chu kỳ khác ở hệ kết cấu đàn hồi (hình 1.1a)

có sự liên tục chuyển đổi qua lại giữa động năng và thế năng, còn ở hệ kết cấu đàn hồi dẻo (hình 1.1b) chỉ một phần thế năng được chuyển thành động năng, phần lớn năng lượng được tiêu tán qua biến dạng dẻo Qua ví dụ này ta thấy một hệ kết cấu có thể chịu tác động động đất theo một trong hai cách sau:

- Cách thứ nhất: bằng khả năng chịu một lực tác động lớn (Fe) nhưng phải làm việc trong giới hạn đàn hồi, hoặc:

- Cách thứ hai: bằng khả năng chịu một lực tác động bé hơn (Fy< Fe) nhưng phải có khả năng biến dạng dẻo kèm theo

Cách thứ nhất là cách thiết kế theo quan niệm trước đây, đáp ứng các yêu cầu bảo vệ công trình, còn cách thứ hai là cách thiết kế theo quan niệm mới,

đáp ứng các yêu cầu bảo vệ trực tiếp sinh mạng con người và của cải vật chất xã hội Như vậy, khác với cách thiết kế thứ nhất, công trình xây dựng được thiết kế theo cách thứ hai làm việc sau giai đoạn đàn hồi, chấp nhận các biến dạng lớn (nhưng không sụp đổ) ở hệ kết cấu chịu lực chính khi chịu các trận

động đất mạnh hoặc rất mạnh

Hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế của các nước trên thế giới, trong đó có tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006 [16][38] đều chọn cách thứ hai khi thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng động đất từ trung bình trở lên Cách thứ nhất chỉ thích hợp cho việc thiết kế các công trình xây dựng trong các vùng

động đất rất yếu Chúng ta có thể thiết kế các công trình chịu được các trận

động đất mạnh và rất mạnh mà không bị hư hỏng (cách thứ nhất), nhưng trong đa số các trường hợp việc thiết kế như vậy sẽ làm cho các cấu kiện có kích thước quá lớn trong khi xác suất xuất hiện những trận động đất mạnh thường rất thấp

1.1.3 Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế công trình chịu động

đất theo quan niệm mới

Các nguyên tắc cơ bản của việc thiết kế các công trình chịu động đất theo quan niệm mới (theo cách thứ hai) có thể tóm lược dưới dạng các yêu cầu sau thông qua các trạng thái giới hạn của chúng [22][7]:

a) Trạng thái giới hạn làm việc : Công trình phải chịu được các trận động

đất yếu thường hay xẩy ra mà không bị bất cứ hư hỏng nào ở kết cấu chịu lực lẫn không chịu lực Công trình vẫn hoạt động bình thường, kể cả các thiết bị bên trong công trình Điều này có nghĩa là, trong thời gian động đất yếu tất cả các bộ phận kết cấu tạo nên công trình phải làm việc trong giới hạn đàn hồi

b) Trạng thái giới hạn cuối cùng hoặc trạng thái giới hạn kiểm soát hư hỏng: Công trình phải chịu được các trận động đất có độ mạnh trung bình với các hư hỏng rất nhẹ có thể sửa chữa được ở các bộ phận kết cấu chịu lực, cũng như ở các bộ phận không chịu lực

c) Trạng thái giới hạn sụp đổ hoặc trạng thái giới hạn tồn tại Đối với đại

đa số các công trình xây dựng, khi xẩy ra động đất mạnh hoặc rất mạnh cho phép xuất hiện những hư hỏng lớn ở hệ kết cấu chịu lực và các thiết bị bên trong Trong một số trường hợp, những sự hư hỏng này có thể không sửa chữa được nhưng công trình không được phép sụp đổ

Các công trình được thiết kế theo các nguyên tắc cơ bản trên phải có một

độ cứng, độ bền và độ dẻo thích hợp nhằm đảm bảo trong trường hợp động

đất xẩy ra sinh mạng con người được bảo vệ, các hư hỏng được hạn chế và những công trình quan trọng có chức năng bảo vệ cư dân (bệnh viện, trạm cứu hoả, cảnh sát ) vẫn có thể duy trì hoạt động Trong trường hợp các trận

động đất yếu, kết cấu cần phải đảm bảo đủ độ cứng để cho các phần kiến trúc của công trình bị hư hỏng ít nhất Đối với các trận động đất trung bình, độ bền cho phép giới hạn các hư hỏng ở hệ kết cấu chịu lực Cuối cùng khi kết cấu chịu tác động của các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh, độ dẻo cho phép công trình có các chuyển vị không đàn hồi lớn nhưng không bị sụp đổ,

đảm bảo cho những người sống trong nhà có thể thoát ra ngoài

Các nguyên tắc thiết kế theo quan điểm mới trình bày ở trên được tóm lược trong bảng 1.1 [22]

Bảng 1.1 Các yêu cầu thiết kế công trình chịu động đất

Nguy cơ động đất Trạng

thái giới

hạn

Đặc tính kết cấu

Trạng tháI kết cấu Trạng thái kinh tế - xã

hội

Phản ứng

(năm) Làm việc

bình

thường

Độ cứng Hư hỏng không

đáng kể

Hoạt động không gián

Thiệt hại kinh

tế hạn chế Phản ứng đàn hồi -

dẻo hạn chế

Thỉnh thoảng xẩy ra

~ 400 ữ

500 Ngăn

Rất ít khi xẩy ra ~ 2000 ữ 2500

1.1.4 Quan niệm thiết kế mới và các nguyên tắc cơ bản của việc

thiết kế công trình chịu động đất theo tiêu chuẩn TCXDVN375:2006 [16]

Trong tiêu chuẩn của Việt Nam “Thiết kế công trình chịu động đất” TCXDVN 375:2006 [16], quan niệm thiết kế mới cũng như các nguyên tắc cơ

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

20

bản của việc thiết kế công trình chịu động đất trình bày ở trên được thể hiện dưới dạng hai yêu cầu cơ bản và hai tiêu chí tương hợp kèm theo

1.1.4.1 Các yêu cầu cơ bản

Theo TCXDVN 375 :2006, việc thiết kế các công trình xây dựng chịu động

đất ở Việt Nam được thực hiện theo hai cấp với các mục tiêu công năng (yêu cầu) sau:

1 Yêu cầu không sụp đổ

Yêu cầu không sụp đổ nhằm bảo vệ sinh mạng con người dưới tác động

động đất ít khi xẩy ra (động đất mạnh hoặc rất mạnh) Để thực hiện được yêu cầu này, các công trình xây dựng phải được thiết kế và thi công để chịu được các tác động động đất thiết kế mà không bị sụp đổ toàn bộ hoặc một phần,

đồng thời giữ được tính nguyên vẹn và một phần khả năng chịu tải của nó sau khi động đất xẩy ra Điều này cũng có nghĩa là kết cấu bị hư hỏng nghiêm trọng và có thể có biến dạng dư vừa phải nhưng vẫn giữ được khả năng chịu tải trọng đứng và vẫn còn đủ độ bền ngang và độ cứng để bảo vệ sinh mạng con người, thậm chí ngay cả khi có các dư chấn mạnh Việc sửa chữa các công trình trong trường hợp này có thể không kinh tế

2 Yêu cầu hạn chế hư hỏng

Yêu cầu hạn chế hư hỏng nhằm giảm thiểu thiệt hại tài sản thông qua việc hạn chế hư hỏng ở bộ phận kết cấu chịu lực và không chịu lực trong các trận động đất thường hay xẩy ra (động đất yếu hoặc trung bình) Để thực hiện

được yêu cầu này, các công trình xây dựng phải được thiết kế và thi công để chịu được tác động động đất có xác suất xẩy ra lớn hơn so với tác động động

đất thiết kế mà không bị các hư hỏng và hạn chế sử dụng kèm theo với những chi phí khắc phục có thể lớn hơn một cách bất hợp lý so với giá thành bản thân công trình Bản thân kết cấu cũng như các cấu kiện thành phần của nó không có các biến dạng ngang dư, độ cứng và độ bền của chúng được bảo toàn gần như hoàn toàn Các cấu kiện không chịu tải có thể bị một số hư hỏng nhưng có thể sửa chữa dễ dàng và kinh tế sau động đất

Như vậy, đi kèm theo hai cấp công năng (hai trạng thái giới hạn hoặc hai yêu cầu) trên là hai cấp tác động động đất Tác động động đất cho cấp ngăn ngừa sụp đổ được gọi là tác động động đất thiết kế, còn cho cấp hạn chế hư hỏng thường được gọi là tác động động đất làm việc

(i) Tác động động đất thiết kế là tác động động đất có xác suất vượt quá quy ước PNCR = 10% trong 50 năm, hoặc một chu kỳ lặp quy ước trung bình

TNCR = 475 năm

(ii) Tác động động đất làm việc là tác động động đất có xác suất vượt quá

PDLR = 10% trong 10 năm hoặc chu kỳ lặp trung bình TDLR = 95 năm

2 Các trạng thái hạn chế hư hỏng

Tác động động đất làm cho các cấu kiện chịu lực bị biến dạng Sự biến dạng quá mức sẽ làm cho các cấu kiện chịu lực lẫn không chịu lực trong công trình bị hư hỏng Do đó, khác với cách thiết kế theo trạng thái giới hạn không sụp đổ dựa trên cơ sở độ lớn của lực tác động, các tiêu chí dùng để kiểm tra trạng thái giới hạn hạn chế hư hỏng lại dựa trên cơ sở biến dạng Ví dụ để hạn chế các hư hỏng ở các cấu kiện không chịu lực trong công trình, điều kiện kiểm tra là giới hạn chuyển vị ngang tương đối giữa các tầng

1.1.4.3 Các biện pháp cụ thể riêng

Các biện pháp cụ thể riêng liên quan tới: thiết kế, móng và kế hoạch đảm bảo chất lượng công trình xây dựng Các biện pháp cụ thể riêng cần phải

được xét tới nhằm hạn chế những điểm còn đáng ngờ liên quan tới sự làm việc của các hệ kết cấu dưới tác động động đất thiết kế và làm cho công trình

có một phản ứng có lợi dưới tác động động đất mạnh hơn tác động động đất

được xét tới theo quy định của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn

Quan niệm mới trong thiết kế kháng chấn các công trình xây dựng cũng như sự khác biệt so với quan niệm thiết kế trước đây được thể hiện tóm tắt trong hình 1.2 [11]

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

22

Thiết kế Công trình chịu động đất Quan niệm cũ Quan niệm mới Bảo vệ công trình

Yêu cầu độ bền Thiết kế để đảm bảo khả năng chịu lực

Kết cấu làm việc đàn hồi

lượng và có độ dẻo lớn

Thiết kế để có phản ứng

đàn hồi dẻo hạn chế Kết cấu làm

việc đàn hồi dẻo

Tác

động

động

đất thiết kế

Hình 1.2 Các quan niệm thiết kế công trình chịu động đất

1.2 Hệ số ứng xử trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu

động đất

1.2.1 Định nghĩa hệ số ứng xử và các khái niệm cơ bản

Như phần trên đã trình bày, hiện nay các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước trên trên thế giới, trong đó có tiêu chuẩn TCXDVN 375 :2006

đều chọn cách thiết kế để công trình làm việc sau giai đoạn đàn hồi (cách thứ hai) khi chịu các trận động đất mạnh hoặc rất mạnh Khi thiết kế theo cách thứ hai, lực động đất tác động lên công trình được giảm xuống K lần so với khi thiết kế cho chính công trình đó nhưng với giả thiết làm việc đàn hồi (cách thứ nhất) Như vậy, hệ số K biểu thị tỷ số giữa lực Fe tác động lên hệ kết cấu được thiết kế theo cách thứ nhất (làm việc đàn hồi - hình 1.1a) và lực F2u biểu thị khả năng chịu lực của hệ kết cấu được thiết kế theo cách thứ hai (làm việc

2

= (1.1)

Hệ số K có ý nghĩa như một hệ số giảm lực quán tính tác động lên hệ kết cấu làm việc đàn hồi, và tương đương với nó là giảm các nội lực phát sinh trong hệ kết cấu Do đó hệ số này còn được gọi là hệ số giảm lực tác động Trong các tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của châu Âu (EN:1998-1-1:2004 [34]) và Việt Nam (TCXDVN 375:2006 [16]) hệ số này

được gọi là hệ số ứng xử, ký hiệu là q; còn trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của các nước Bắc Mỹ (Hoa kỳ, Canada) và nhiều nước khác hệ số này

được gọi là hệ số giảm lực tác động hoặc hệ số điều chỉnh phản ứng, ký hiệu

là R [49][54][38][55][59]

Điều kiện để có thể dùng hệ số ứng xử q (hoặc R) trong thiết kế các công trình chịu động đất là hệ kết cấu được thiết kế phải có khả năng biến dạng dẻo kèm theo (đường AD ở hình 1.1b) Do đó hệ số này còn biểu thị khả năng hấp thụ và tiêu tán năng lượng của hệ kết cấu khi chịu tác động động đất Hệ

số số ứng xử q, hoặc giảm tải R có một ý nghĩa và vai trò hết sức quan trọng trong thiết kế các công trình chịu động đất theo quan niệm mới Giá trị của hệ

số này phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố khác nhau, trong đó ba yếu tố sau

đây có ý nghĩa quyết định :

- loại vật liệu sử dụng (bê tông, thép, gỗ, gạch, đá ),

- loại hệ kết cấu chịu lực (khung, tường, lõi, hỗn hợp ),

- khả năng biến dạng dẻo của hệ kết cấu lẫn các cấu kiện thành phần Vì vậy, việc quyết định giá trị hệ số ứng xử bằng bao nhiêu cho một hệ kết cấu nào đó và các biện pháp thiết kế kèm theo bao gồm các quy định về vật liệu, hệ kết cấu, quy trình thiết kế, phương pháp tính toán, chi tiết cấu tạo các

bộ phận kết cấu để bảo đảm cho hệ kết cấu được thiết kế có được khả năng biến dạng dẻo tương ứng với hệ số q đã chọn là nội dung chủ yếu của các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn hiện đại

Trong tiêu chuẩn thiết kế TCXDVN 375:2006, giá trị các hệ số ứng xử q

được lấy theo tiêu chuẩn châu Âu EN 1998-1-1:2004 [34] Do đó, việc nghiên cứu để hiểu rõ hệ số này một cách cặn kẽ, từ các giá trị thực tế của chúng tới các yếu tố ảnh hưởng, cũng như các quy định cụ thể để đảm bảo cho hệ kết cấu có được hệ số ứng xử này khi sử dụng để thiết kế các công trình chịu

động đất ở Việt Nam là rất cần thiết

Hệ số ứng xử q và các biện pháp thiết kế để có được hệ số ứng xử này, có

ý nghĩa quyết định tới mức độ an toàn và kinh tế của công trình được thiết kế Việc làm rõ các cơ sở khoa học của quyết định đưa hệ số ứng xử q của tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn châu Âu (EN 1998-1-1 :2004) vào áp dụng ở Việt Nam là một vấn đề hết sức quan trọng Để thấy rõ được tính phức tạp của hệ

số ứng xử hoặc giảm lực tác động, phần sau đây sẽ giới thiệu một cách tổng quan các hệ số này trong các tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của một số nước trên thế giới

1.2.2 Hệ số ứng xử của các kết cấu BTCT trong các tiêu chuẩn thiết

kế các công trình chịu động đất trên thế giới

Như đã đã đề cập tới ở trên, giá trị hệ số ứng xử q hoặc R sử dụng trong thiết kế các công trình chịu động đất phụ thuộc vào nhiều yếu tố rất khác nhau Do vậy, tùy thuộc vào đặc tính của các vật liệu xây dựng, các hệ kết

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

24

cấu thông dụng được sử dụng và đặc biệt là cách thức cấu tạo các cấu kiện (để tạo ra khả năng biến dạng dẻo cần thiết) mà các tiêu chuẩn thiết kế khác nhau đưa ra các quy định khác nhau về hệ số ứng xử q (hoặc R) được phép

sử dụng trong phạm vi mỗi quốc gia Phần sau đây sẽ đề cập tới hệ số ứng

xử q (hoặc R) của các kết cấu BTCT quy định trong một số các tiêu chuẩn thiết kế ở các khu vực khác nhau trên thế giới

1.2.2.1 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất của Việt nam (TCXDVN 375: 2006) [16] và của Châu Âu (EN 1998-1-1:2004)[34]

Tiêu chuẩn TCXDVN 375:2006 và EN 1998-1-1:2004 định nghĩa hệ số ứng xử q là tỷ số gần đúng giữa lực động đất mà kết cấu phải chịu khi giả thiết phản ứng của nó hoàn toàn đàn hồi với độ cản nhớt ξ = 5% và lực động đất

được dùng để thiết kế kết cấu theo một mô hình phân tích đàn hồi quy ước mà vẫn tiếp tục đảm bảo cho kết cấu một phản ứng thoả mãn các yêu cầu đặt ra Giá trị giới hạn trên của hệ số ứng xử q trong đó có xét tới ảnh hưởng của độ cản nhớt khác 5% của nhà BTCT ứng với các cấp độ dẻo khác nhau đối với các tác động động đất theo phương ngang được xác định theo biểu thức sau cho mỗi hướng tính toán:

q = q0kW ≥ 1,5 (1.2) trong đó:

q0 - giá trị cơ bản của hệ số ứng xử, phụ thuộc vào loại kết cấu sử dụng và tính đều đặn trên chiều cao của công trình Đối với các công trình nhà

đều đặn trên chiều cao, giá trị q0 được xác định theo bảng 1.2

kW - hệ số phản ánh dạng phá hoại chiếm ưu thế trong hệ kết cấu có tường chịu lực

Bảng 1.2 Các giá trị cơ bản của hệ số ứng xử q0

đối với các hệ kết cấu BTCT đều đặn trên chiều cao

Loại kết cấu Cấp dẻo trung bình

1) Đối với các nhà không đều đặn trên chiều cao, hệ số q0 được giảm xuống 20%;

2) Tỷ số αu/α1 biểu thị sự vượt độ bền của hệ kết cấu do dư thừa liên kết Trường hợp hệ số αu/α1 không được xác định bằng tính toán, đối với nhà có tính đều đặn trong mặt bằng có thể lấy các giá trị gần đúng của αu/α1 như sau:

a) Hệ khung hoặc hệ hỗn hợp tương đương hệ khung:

- Nhà một tầng : αu/α1 = 1,1

- Các hệ khung một nhịp nhiều tầng : αu/α1 = 1,2

- Các hệ khung nhiều nhịp, nhiều tầng hoặc kết cấu hỗn hợp tương

đương hệ khung : αu/α1 = 1,3

b) Hệ tường hoặc hệ kết cấu hỗn hợp tương đương với tường:

- Các hệ tường chỉ có hai tường không ghép theo từng phương ngang :

3) Giá trị q0 cho các hệ con lắc ngược có thể lấy tăng lên, nếu ứng với giá trị đó có thể đảm bảo được rằng trong vùng tới hạn của kết cấu có sự phân tán năng lượng lớn hơn

4) Cho phép tăng giá trị q0 nếu có một kế hoạch đảm bảo chất lượng đặc biệt được áp dụng vào thiết kế, cung ứng vật tư và thi công ngoài các hệ thống kiểm soát chất lượng thông thường Giá trị đã tăng lên này không được vượt quá 20% so với các giá trị đã cho trong bảng 1.2

1.2.2.2 Tiêu chuẩn thiết kế công trình chống động đất (PS-92) và Kiến nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS 90) của Pháp [56][58]

Trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất PS-92 cũng như kiến nghị của Hiệp hội xây dựng công trình chống động đất (AFPS 90) của Pháp,

hệ số ứng xử q được định nghĩa là tỷ số giữa lực mà kết cấu làm việc hoàn toàn đàn hồi có thể chịu và lực mà hệ kết cấu thực chịu đối với cùng một biến

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

26

trị trong bảng 1.3 dùng cho các công trình thuộc cấp dẻo II Đối với các công trình thuộc cấp dẻo I, hệ số ứng xử q lấy bằng 60%, còn đối với công trình thuộc cấp dẻo III, hệ số q lấy tăng thêm 20% các giá trị cho trong bảng 1.3

Bảng 1.3 Hệ số ứng xử q theo tiêu chuẩn PS-92 và kiến nghị của AFPS 90

Loại kết cấu Nhà đều

đặn qi

Nhà đều đặn trung bình

Nhà không

đều đặn

3 a - Hệ khung chèn gạch (xây sau)

b - Tường gạch chịu lực có giằng

c - Tường gạch chịu lực có cốt thép

và được giằng

1,5 ữ 2 2,5

3

0,85q3a0,85q3b0,85q3c

0,7q3a0,7q3b

i

i i T

q T q

1.2.2.3 Tiêu chuẩn thiết kế nhà của Mỹ - UBC 1997

(1997 Uniform Building Code) [54]

Trong tiêu chuẩn UBC - 1997, hệ số ứng xử được gọi là hệ số giảm lực tác

động và ký hiệu là R Hệ số R biểu thị khả năng biến dạng dẻo tổng thể và vượt độ bền của các hệ kết cấu chịu động đất Hệ số R của các hệ kết cấu bằng BTCT được cho trong bảng 1.4

Bảng 1.4 Hệ số giảm lực tác động R của các hệ kết cấu BTCT (UBC 1997) [54]

Hệ kết cấu cơ bản Mô tả hệ kết cấu chịu tải trọng ngang R

1 Hệ tường chịu lực 2 Tường chịu cắt

3 Hệ khung chịu

mômen

1 Khung đặc biệt chịu mômen (SMRF)

b Bê tông cốt thép

3 Khung trung gian chịu mômen bằng BTCT (IMRF)

4 Khung thông thường chịu mômen (OMRF)

b Bê tông cốt thép

8,5 5,5 6,5 3,5

4 Hệ kết cấu hỗn

hợp

1 Tường chịu cắt

a Bê tông cốt thép kết hợp với SMRF

b Bê tông cốt thép kết hợp với khung thép OMRF

c Bê tông cốt thép kết hợp với khung BTCT IMRF

3 Khung thông thường dạng dàn

c BTCT kết hợp với khung SMRF bằng BTCT

d BTCT kết hợp với khung IMRF bằng BTCT

8,5 4,2 6,5

6,5 4,2

và NFPA 5000 của National Fire Protection Agency (NFPA) là ba tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất có nội dung gần giống nhau và được phép thay thế lẫn nhau hiện đang được sử dụng tại Hoa Kỳ Trong ba tiêu chuẩn thiết kế này, hệ số ứng xử được gọi là hệ số điều chỉnh phản ứng và ký hiệu là R như trong tiêu chuẩn UBC 1997 Cũng như tiêu chuẩn UBC 1997,

hệ số R là một hệ số thực nghiệm nhằm xét tới độ cản và độ dẻo (hoặc biến dạng không đàn hồi) được giả thiết tồn tại trong hệ kết cấu ở các chuyển vị lớn hơn chuyển vị lúc xuất hiện biến dạng chảy đầu tiên và gần bằng chuyển

vị của phản ứng không đàn hồi lớn nhất Hệ số R còn nhằm xét tới sự vượt độ bền, phụ thuộc một phần vào vật liệu, một phần vào hệ kết cấu Các giá trị của hệ số R đối với các hệ kết cấu bằng BTCT được cho trong bảng 1.5. Bảng 1.5 Hệ số điều chỉnh phản ứng R của các hệ kết cấu BTCT

theo ASCE7 – 2002, IBC-2003 và NFPA 5000 [44][55]

TT Hệ kết cấu chịu lực động đất cơ bản R

1 Hệ tường chịu lực

Tường chịu cắt bằng BTCT đặc biệt

Tường chịu cắt bằng BTCT thông thường

Tường chịu cắt bằng bê tông có cấu tạo cốt thép

5

4 2ẵ

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

28

Tường chịu cắt bằng bê tông thông thường 1ẵ

2 Hệ kết cấu giằng (khung chỉ chịu tải trọng đứng)

Tường chịu cắt bằng BTCT đặc biệt

Tường chịu cắt bằng BTCT thông thường

Tường chịu cắt bằng bê tông có cấu tạo cốt thép

Tường chịu cắt bằng bê tông thông thường

6

5

3

2

3 Hệ khung chịu mômen:

Khung BTCT đặc biệt chịu mômen

Khung BTCT trung gian chịu mômen

Khung BTCT thông thường chịu mômen

8

5

3

4 Hệ hỗn hợp với các khung đặc biệt chịu mômen có khả năng

chịu được ít nhất 25% tải trọng động đất quy định

Tường chịu cắt đặc biệt bằng BTCT

Tường chịu cắt thông thường bằng BTCT

8

7

5 Hệ hỗn hợp với các khung trung gian chịu mômen có khả

năng chịu được ít nhất 25% tải trọng động đất quy định

Tường chịu cắt bằng BTCT đặc biệt

Tường chịu cắt bằng BTCT thông thường

6 5ẵ

6 Hệ con lắc ngược và hệ cột dạng công xôn:

1.2.2.5 Tiêu chuẩn quốc gia về thiết kế nhà của Canada

(Code national du bâtiment du Canada - CNBC – 1995) [59] Trong tiêu chuẩn thiết kế nhà của Canada, hệ số ứng xử được gọi là hệ số giảm tải và k ý hiệu là R (≥ 1) như trong các tiêu chuẩn thiết kế của Hoa kỳ đã

đề cập tới ở trên Đối với các hệ kết cấu bằng BTCT, hệ số R được cho ở bảng 1.6 với các giá trị thay đổi từ 1,0 đến 4,0 Các hệ số này được xác định

từ các kết quả tính toán và thi công các công trình xây dựng, cũng như nghiên cứu sự làm việc của chúng trong thời gian bị động đất

Bảng 1.6 Hệ số giảm tải R của các kết cấu BTCT

theo tiêu chẩn CNBC 1995 của Canada [59]

Loại Loại hệ kết cấu chịu lực ngang R

Các kết cấu BTCT theo tiêu chuẩn CAN/CSA-A23.3-M

15 Các hệ kết cấu khác không nằm trong loại 10 1,5

1.2.2.6 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Indonesia - (SNI-1276)

(Seismic Resistant Design Standard for Building Structures)[3] [4]

Tiêu chuẩn thiết kế SNI-1276 của Indonesia quy định tải trọng động đất

tác động lên kệ kết cấu làm việc đàn hồi dẻo được xác định theo biểu thức

Ve - lực động đất thiết kế tác động lên hệ kết cấu làm việc đàn hồi,

R - hệ số giảm tải xác định theo biểu thức sau

R = àf1 (1.4)

với

à - độ dẻo chuyển vị của hệ kết cấu;

f1 - hệ số vượt tải của vật liệu và tải trọng, phụ thuộc vào điều kiện chất

tải lên công trình và điều kiện cường độ của vật liệu thi công kết cấu Đối với

các điều kiện thực tế của Indonesia, trị số điển hình của hệ số vượt tải vật liệu

và tải trọng được xác định f1 = 1,6, do đó R =1,6à Đối với hệ kết cấu hoàn

toàn dẻo à = 5,3, nên hệ số giảm tải R = 8,5

1,6

2,4 3,2 4,0 4,8 5,6 6,4 7,2 8,0 8,5

5,3

3,5 2,7 2,1 1,8 1,5 1,3 1,2 1,1 1,0

Gọi tải trọng động đất tiêu chuẩn tác động lên hệ kết cấu làm việc dẻo

hoàn toàn làVn , tải trọng tiêu chuẩn tác động lên kết cấu đàn hồi - dẻo có

thể xác định theo biểu thức sau:

V =n K Vn (1.5) Trong đó K được gọi là hệ số loại kết cấu Hệ số này được xác định như sau:

R

K =5,3=8,5

à (1.6)

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

4,4 5,3 5,3

3,4 6,1

7,0 8,5 8,5

2,5 1,4

1,2 1,0 1,0

Khi lựa chọn giá trị độ dẻo à để thiết kế một công trình nào đó không được lấy lớn hơn độ dẻo lớn nhất àm mà một bộ phận trong hệ kết cấu chịu lực của công trình có thể đạt tới Các giá trị àm được cho trong bảng 1.8

1.2.2.7 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Israel

(Israel Standard – IC 413 – 1994)[38]

Theo tiêu chuẩn thiết kế IC 413 - 1994 của Israel, hệ số ứng xử được gọi

là hệ số giảm lực tác động và ký hiệu là K Đối với các hệ kết cấu BTCT, giá trị hệ số K được cho trong bảng 1.9 Trong thời gian động đất, các kết cấu làm việc tốt hệ số K được lấy tăng lên như sau:

• Đối với các hệ kết cấu đều đặn, hệ số giảm tải K được lấy tăng lên 25%

• Đối với các hệ kết cấu hỗn hợp (bê tông hoặc thép), trong đó các tường

có khả năng chịu được tất cả tải trọng ngang và các khung chịu được ít nhất 25% tổng tải trọng ngang, hệ số giảm tải K cũng có thể lấy tăng lên 15%

• Đối với các hệ kết cấu thoả mãn đồng thời hai điều kiện trên, hệ số giảm tải K có thể lấy tăng lên 25%

Bảng 1.9 Hệ số giảm tải K đối với các hệ kết cấu BTCT (IC 413 – 1994)

4 3,5

5,5 4,5 5,5

1.2.2.8 Tiêu chuẩn thiết kế kháng chấn của Argentina

(INPRES - CRSOC 103 1991)[38]

Bảng 1.10 Các giá trị của độ dẻo tổng thể (à) của các hệ kết cấu BTCT

đều đặn trên chiều cao (theo INPRES - CRSOC 103 1991)

Hệ khung - tường chịu cắt hoặc tường dẻo chịu cắt bằng BTCT không

thoả mãn các điều kiện trên

3,5

Hệ kết cấu dạng con lắc ngược có các liên kết và các gối đỡ đặc biệt 3

• Hệ kết cấu dạng con lắc ngược không thoả mãn các điều kiện trên

Trong tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Argentina

(INPRES - CRSOC 103 1991), khả năng phân tán năng lượng thông qua biến

dạng dẻo của hệ kết cấu được xét tới thông qua hệ số giảm tải R Hệ số giảm

tải R phụ thuộc vào độ dẻo tổng thể à của hệ kết cấu và vào chu kỳ dao động

cơ bản của nó:

1 ) 1 ( 1

T

T

R = + àư khi T ≤ T1 (1.7a)

R =à khi T ≥ T1 (1.7b)

Các giá trị của độ dẻo tổng thể à của các hệ kết cấu đều đặn trên chiều

cao (giả thiết kết cấu phân tán năng lượng đều trong quá trình biến dạng dẻo)

được cho trong bảng 1.10

1.2.2.9 Tiêu chuẩn thiết kế các công trình chịu động đất của Mexico

(Reglamento de construcciones para el Distrito Federal – 1993 và Norma

Técnicas Complementarias para Diseno por Sismo – 1989) [38]

Trong thiết kế các công trình chịu động đất ở Mexico, các lực động đất

xác định bằng phương pháp tĩnh lực ngang hoặc phương pháp phổ phản ứng

dạng dao động được chia cho hệ số giảm tải Q’ tương tự như hệ số R trong

tiêu chuẩn thiết kế của Argentina Đối với các hệ kết cấu đều đặn, hệ số giảm

tải Q’ được xác định theo các biểu thức tương tự (1.7):

Chương I Quan niệm thiết kế mới và hệ số ứng xử

trong tiêu chuẩn thiết kế công trình chịu động đất

32

a T

T Q

Q ′ = 1 + ( ư 1 ) khi T ≤ Ta (1.8a)

Q = ′ Q khi T ≥ Ta (hoặc khi không biết T) (1.8b)

Đối với các hệ kết cấu không thoả mãn các điều kiện đều đặn, hệ số Q’ xác định theo các biểu thức (1.8a hoặc b) được nhân với hệ số 0,8 Giá trị Q

được lấy như sau:

1 Sử dụng Q = 4 nếu:

(a) Khi ở tất cả các tầng, tải trọng ngang được chịu bởi các khung chịu mômen bằng thép hoặc BTCT không được giằng, hoặc các khung được giằng hoặc các khung với tường chịu cắt có lỗ cửa bằng BTCT trong đó các khung

có khả năng chịu ít nhất 50% tổng lực ngang;

(c) Tại tầng bất kỳ, tỷ số giữa khả năng chịu tải ngang của tầng trên lực cắt tương ứng sử dụng trong thiết kế không khác quá 35% giá trị trung bình của tỷ số đó ở tất cả các tầng nhà

2 Sử dụng Q = 3 khi thoả mãn điều kiện (a) ở trên, điều kiện (c) không thoả mãn và khả năng chịu tải trọng ngang của tất cả các tầng của kết cấu

được bảo đảm bởi một trong các hệ kết cấu sau:

(a) Các tấm phẳng với các cột bằng thép hoặc BTCT;

(b) Các khung chịu mômen bằng thép hoặc BTCT;

(c) Các tường chịu cắt bằng BTCT,

(d) Các khung chịu mômen với các tường chịu cắt

3 Sử dụng Q = 2 khi hệ kết cấu chịu lực ngang gồm:

(a) Các tấm phẳng với các cột bằng thép hoặc BTCT, các khung bằng thép hoặc BTCT được giằng hoặc không, hoặc các tường chịu cắt và các cột bằng BTCT không thoả mãn các yêu cầu ở điểm 1 và 2 ở trên;

kế kháng chấn của các nước trên thế giới, trong đó có tiêu chuẩn TCXDVN